Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke y la Universidad de Washington en St. Louis han demostrado que, al inyectar una proteína artificial hecha de una solución de segmentos ordenados y desordenados, se forma un andamio sólido en respuesta al calor corporal, y en pocas semanas se integra sin problemasen tejido
La capacidad de combinar estos segmentos en proteínas con propiedades únicas permitirá a los investigadores controlar con precisión las propiedades de los nuevos biomateriales para aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.
La investigación aparece en línea el 15 de octubre en la revista Materiales de la naturaleza .
Las proteínas funcionan al plegarse, tener forma de origami e interactuar con estructuras biomoleculares específicas. Los investigadores creían anteriormente que las proteínas necesitaban una forma fija para funcionar, pero en las últimas dos décadas ha habido un creciente interés en las proteínas intrínsecamente desordenadas IDP.A diferencia de sus contrapartes bien plegadas, los IDP pueden adoptar una gran cantidad de estructuras distintas, sin embargo, estas preferencias estructurales no son aleatorias, y los avances recientes han demostrado que existen reglas bien definidas que conectan la información en las secuencias de aminoácidos de los IDP concolecciones de estructuras que pueden adoptar.
Los investigadores han planteado la hipótesis de que la versatilidad en la función de las proteínas se puede lograr al unir proteínas bien plegadas con IDP, en lugar de collares de perlas. Esta versatilidad es obvia en materiales biológicos como las fibras musculares y de seda, que están hechas de proteínas que combinan proteínas ordenadas yregiones desordenadas, permitiendo que los materiales exhiban características como la elasticidad del caucho y la resistencia mecánica del acero.
Los IDP son fundamentales para la función celular, y muchos ingenieros biomédicos han concentrado sus esfuerzos en un IDP extremadamente útil llamado elastina. Una proteína altamente elástica que se encuentra en todo el cuerpo, la elastina permite vasos sanguíneos y órganos, como la piel, el útero y los pulmones.- para volver a su forma original después de estirarse o comprimirse. Sin embargo, crear la elastina fuera del cuerpo resultó ser un desafío.
Entonces, los investigadores decidieron adoptar un enfoque de ingeniería reduccionista para el problema.
"Teníamos curiosidad por ver qué tipos de materiales podríamos hacer al agregar orden a una proteína que de otro modo estaría muy desordenada", dijo Stefan Roberts, estudiante de doctorado en el laboratorio de Chilkoti y primer autor del artículo.
Debido a los desafíos de usar elastina en sí, el equipo de investigación trabajó con polipéptidos similares a elastina ELP, que son proteínas completamente desordenadas hechas para imitar piezas de elastina. Los ELP son biomateriales útiles porque pueden sufrir cambios de fase.soluble en un estado insoluble, o viceversa, en respuesta a los cambios de temperatura. Si bien esto hace que estos materiales sean útiles para aplicaciones como la administración de medicamentos a largo plazo, su comportamiento similar al líquido les impide ser andamios efectivos para aplicaciones de ingeniería de tejidos.
Pero al agregar dominios ordenados a los ELP, Roberts y el equipo crearon proteínas "Frankenstein" que combinan dominios ordenados y regiones desordenadas que conducen a las llamadas proteínas parcialmente ordenadas POP, que están equipadas con la estabilidad estructural de proteínas ordenadas sinperder la capacidad de los ELP de volverse líquidos o sólidos a través de cambios de temperatura.
Diseñados como un fluido a temperatura ambiente que se solidifica a la temperatura corporal, estos nuevos biomateriales forman un andamio estable y poroso cuando se inyectan que se integra rápidamente en el tejido circundante con una inflamación mínima y promueve la formación de vasos sanguíneos.
"Este material es muy estable después de la inyección. No se degrada rápidamente y mantiene su volumen realmente bien, lo cual es inusual para un material a base de proteínas", dijo Roberts. "Las células también prosperan en el material, repoblando el tejidoen el área donde se inyecta. Todas estas características podrían convertirlo en una opción viable para la ingeniería de tejidos y la curación de heridas ".
Aunque el andamio creado por el POP era estable, el equipo también observó que el material se volvería a disolver por completo una vez que se enfriara. Además, las temperaturas de formación y disolución podrían controlarse independientemente controlando las proporciones de segmentos desordenados y ordenadosen el biomaterial. Esta capacidad de sintonización independiente confiere recuerdos de forma en los COP a través de un fenómeno conocido como histéresis, lo que les permite volver a su forma original después de una señal de temperatura.
El equipo de Duke colaboró con el laboratorio de Rohit Pappu, el profesor de ingeniería Edwin H. Murty del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Washington en St. Louis para comprender la base molecular del comportamiento histérico codificado en secuencia. Tyler S. Harmon, entonces un estudiante de doctorado en física en el laboratorio Pappu, desarrolló un modelo computacional para mostrar que la histéresis surge de las interacciones diferenciales de regiones ordenadas y desordenadas con solvente versus solo.
"Poder simular la base molecular de la histéresis sintonizable nos coloca en el camino para diseñar materiales a medida con estructuras deseadas y perfiles de memoria de forma", dijo Pappu. "Esto parece ser una característica no reconocida hasta ahora de la sinergia entre dominios ordenados yIDPs "
Avanzando, el equipo espera estudiar el material en modelos animales para examinar los usos potenciales en la ingeniería de tejidos y la curación de heridas y desarrollar una mejor comprensión de por qué el material promueve la vascularización. Si estos estudios son efectivos, Roberts es optimista de que el nuevoel material podría convertirse en la base de una empresa de biotecnología. También desean desarrollar una comprensión más profunda de las interacciones entre las porciones ordenadas y desordenadas en estos materiales versátiles.
"Estamos tan fascinados con el comportamiento de fase derivado de los dominios desordenados que descuidamos las propiedades de los dominios ordenados, que resultaron ser bastante importantes", dijo Chilkoti. "Al combinar segmentos ordenados con segmentos desordenados hay unTodo un nuevo mundo de materiales que podemos crear con una hermosa estructura interna sin perder el comportamiento de fase del segmento desordenado, y eso es emocionante ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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